Procédés d'élaboration des conducteurs recouverts supraconducteurs

Les supraconducteurs constituent une classe de matériaux aux propriétés extrêmement importantes dont une des applications les plus emblématiques est le LHC (Large Hadron Collider) du CERN qui permit notamment la découverte du boson de Higgs en 2013. Sans les supraconducteurs et la puissance des aimants qu'ils permettent, l'anneau du CERN aurait 100 km de long et non les 27 km actuels ; la construction d'ITER (CEA-Cadarache France), qui vise à maîtriser la production d'énergie par la fusion nucléaire, ne serait pas envisageable.

La supraconductivité est connue depuis un siècle et la recherche sur les matériaux supraconducteurs a toujours été très active pour mettre en application ces propriétés physiques « magiques ». Les physiciens et chimistes des matériaux ont réussi à mettre au point des alliages de métaux sous forme de fils mettant à profit les supraconducteurs dits classiques (comme par exemple les alliages de NbTi ou Nb₃Sn) dont la température critique reste inférieure à 20 °K. Ils nécessitent une cryogénie à l'hélium liquide, bien connue mais onéreuse. En 1986, la révolution des hautes T_c (ou HTS pour High Temperature Superconductor) par la découverte de supraconductivité au-dessus de la température de l'azote liquide a bouleversé ce domaine. Non seulement, les nouveaux matériaux à base de cuprates, dont YBa₂Cu₃O₇ est le plus connu, ne sont plus des métaux au sens matériau du terme, mais des céramiques, et leur température critique atteint 93 °K et même 120 °K dans certains composés (ces derniers sont cependant peu exploitables). L'intérêt pour cette nouvelle famille est énorme, mais les efforts nécessaires pour en tirer profit aussi. Comment fabriquer un câble de plusieurs kilomètres de long avec une céramique ? Tel est le défi posé par ces nouveaux matériaux. Grâce aux efforts communs des physiciens et chimistes une nouvelle classe de matériaux est sur le point d'émerger.

Dans un premier temps, les chercheurs ont exploité une variété de cuprates, adaptée à une mise en forme proche de celle des supraconducteurs classiques ; ils ont réussi à insérer des granulats ou poudres de BiSrCaCuO (Bi₂Sr₂CaCu₂O_x : Bi2212 ou Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O_x : Bi2223) dans des gaines d'argent et à en faire des céramiques supraconductrices. Les industriels ont su transformer ces fils en câbles supraconducteurs, dont l'application la plus médiatique en 2007 est la connexion d'un câble supraconducteur de 600 m au réseau électrique de Long Island (état de New York aux États-Unis) comportant 300 000 foyers. Mais le BiSrCaCuO (on dit aussi BiSCCO) souffre de deux faiblesses : d'une part son coût, en très grande partie lié à celui de la gaine d'argent, est incompressible, et d'autre part, ses propriétés supraconductrices sont inférieures à celle de la famille YBCO.

Exploiter la famille YBCO (ou plus généralement celle de RE-BCO) relève d'un défi d'une autre ampleur car ses propriétés, très anisotropes, imposent qu'il soit mis en forme de texture selon des grains qui doivent être alignés, à quelques degrés près les uns des autres. De plus, sa dureté et sa fragilité exigent qu'il soit mis en forme de films très minces (μm) pour que les courbures imposées par le futur câble ne dégradent pas ses propriétés. Ce problème était nouveau en 1994 quand deux équipes (l'une japonaise, l'autre américaine) ont réussi à montrer que des films minces pouvaient être texturés sur des supports métalliques souples. Ce furent les prémices de l'aventure des coated conductors (CC), conducteurs recouverts, dont on décrit ici les avancées constantes. En 1994, fabriquer un film quasi parfait de plusieurs centaines de mètres, avec ce composé quaternaire complexe, relevait d'une fiction de « labo ». Pourtant les chercheurs de la science des matériaux, physiciens et chimistes des laboratoires et les industriels impliqués ont relevé cet incroyable défi et proposent des solutions à une échelle préindustrielle. Aujourd'hui, même si les CC sont encore trop chers et pas assez performants, des percées apparaissent.

L'objet de cet article est de décrire l'évolution des idées et des techniques qui ont été suivies par les différentes équipes impliquées en essayant de trouver un fil conducteur logique dans cette suite d'essais. Le lecteur pourra y puiser des idées pour d'autres domaines d'application des films céramiques.